Filtern
Dokumenttyp
- Vortrag (3) (entfernen)
Sprache
- Deutsch (3)
Referierte Publikation
- nein (3)
Schlagworte
- Laserimplantation (3) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
- nein (3)
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine ent-scheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierun-gen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben immateriellen Strukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beein-flussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aufgrund der Verschleißproblematik erhabener Strukturen, sowie verschiedener technischer als auch wirtschaftlicher Problemstellungen, bei ihrer Her-stellung momentan limitiert.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, um ebendiese Problemstellun-gen zu überwinden. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln, wodurch erhabene und separierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungs-schritt erzeugbar sind. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität, zur Er-zeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen, angewandt. Versuche wurden auf dem Kalt-arbeitsstahl X153CrMoV12, unter Anwendung von Titandiborid als Hartstoff, durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Här-ten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlicht-interferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Pulsleistung und Pulsdauer zu steuern.
Oberflächenstrukturierung mittels Laserimplantation ist anwendbar zur Positivstrukturierung mit TiB2, führt zu signifikanter Härtesteigerung und Verschleißfestigkeit an verschleißgefährdeten Werkzeugen.
Die Steuerung der Implantgeometrie ist durch die Prozessparameter möglich.
Die flexible Anordnung implantierter Bereiche ermöglicht die Erzeugung komplexer Muster zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Im-plants) auf Stahloberflächen, durch ein diskontinuierliches dispergieren von keramischen Partikeln mittels gepulster Laserstrahlung. Durch die flexible Anordnung separierter Implants zu komplexen Mustern erlaubt das Verfahren eine gezielte Oberflächenstrukturierung zur Beeinflussung des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Insbesondere erwies sich Titandiborid (TiB2) als Implantationsmaterial für geeignet, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden kann, ohne dass Materialdefekte, wie Risse oder Poren auftreten. Zudem weisen die Implants auf Kaltarbeitsstahlwerkzeugen Härtewerte von bis zu 1800 HV1 auf. Hierdurch lassen laserimplantierte Oberflächen eine deutlich höhere Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu umschmelzstrukturierten Wirkflächen erwarten. Daher eignet sich das Verfahren insbesondere zur Strukturierung hochbelasteter Wirkflächen, wie sie an Umform- oder Schneidwerkzeugen zu finden sind.
Ziel der Untersuchungen ist es, den Einfluss laserimplantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu erkennen und geeignete Parameterbereiche zur Oberflächenstrukturierung zu identifizieren. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an punktuell wiederaufgeschmolzenen Zonen sowie an TiB2 implantierten Zonen durchgeführt. High-Speed-Kameraaufnahmen ermöglichten die Beschreibung der Partikeleinbringung aus Vorbeschichtungen. Des Weiteren wurden an Schliffen (Mikro-) Härtemessungen durchgeführt, um die die Materialeigenschaften zu charakterisieren und den Einfluss der eingebrachten Hartstoffpartikel feststellen zu können. Die Materialmikrostruktur wurde abschließend an lichtmikroskopischen- sowie elektronenmikroskopischen Aufnahmen erfasst. Mithilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) sowie der Röntgendiffraktometrie (XRD) wurden die implantierten Bereiche hinsichtlich gebildeter Phasen analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund hoher Restaustenitgehalte (γR) führt. Im Gegensatz dazu führt das Laserimplantieren von TiB2-Partikeln zu einer deutlichen Härtesteigerung in den kuppel- oder ringförmigen Implants. Härtewerte von bis zu 1800 HV1 resultieren aus dispergierten TiB2-Primärpartikeln sowie in-situ ausgeschiedenen Sekundärphasen, durch die der Restaustenitanteil deutlich reduziert wird.